Neurozintegrowane protezy kończyn górnych: praca przeglądowa
Słowa kluczowe:
protezy, bionika, interfejsy neuronowe, sprzężenie haptyczne, kończyna górna, sztuczna kończyna, robotykaStreszczenie
Neurozintegrowane protezy kończyn górnych stanowią rewolucję w dziedzinie protetyki, zapewniając bardziej naturalną interakcję między użytkownikiem, a protezą kończyny. Ważnym elementem tego podejścia jest wykorzystanie zaawansowanych mechanizmów sprzężenia zwrotnego. Te mechanizmy pozwalają przekształcać sensoryczne informacje z protezy na precyzyjne impulsy elektryczne, tworząc sprzężenie zwrotne. Studia przypadków ilustrują praktyczne zastosowania neurozintegrowanych protez. Marasco et al. prezentują zautomatyzowany interfejs neuron-maszyna, wykorzystujący wibracje mięśni do umożliwienia użytkownikowi odczuwania zmysłu dotyku. Graczyk et al. korzystają z elektrod wszczepionych w nerwy obwodowe, poprawiając zmysł dotyku i kontrolę nad protezą. Badanie Ortiza-Catalana et al. przedstawia protezę kończyny z osteointegracją, co umożliwia naturalne sprzężenie zwrotne sensoryczne i lepszą kontrolę. Schiefer et al. używają elektrod wewnątrzwiązkowych, umożliwiając użytkownikowi odczuwanie wrażeń dotykowych, co zwiększa naturalność interakcji z protezą. Analiza przyszłych kierunków badań skoncentrowana jest na rozwijaniu zaawansowanych systemów sprzężenia zwrotnego sensorycznego, technologii interfejsów neuronowych, systemów sterowania w pętli zamkniętej oraz integracji różnych modalności sensorycznych. Przyszłość neurozintegrowanych protez obejmuje także rozwój bardziej zaawansowanych elektrod neuronowych, metod sprzężenia zwrotnego i systemów sterowania, a także integrację wielu rodzajów informacji sensorycznych. Neurozintegrowane protezy otwierają nowe perspektywy w przywracaniu utraconych funkcji i znacząco poprawiają jakość życia użytkowników tych innowacyjnych rozwiązań.
Bibliografia
Fodor DC, Seghedin NE. Technical Progress in Limb Prostheses: A Classification of Existing Devices. Bulletin of the Polytechnic Institute of Iași Machine constructions Section. 2022;68(3):31-40. doi:https://doi.org/10.2478/bipcm-2022-0023
Karczewski AM, Zeng W, Stratchko LM, Bachus KN, Poore SO, Dingle AM. Clinical Basis for Creating an Osseointegrated Neural Interface. Frontiers in Neuroscience. 2022;16. doi:https://doi.org/10.3389/fnins.2022.828593
Gupta A, Vardalakis N, Wagner FB. Neuroprosthetics: from sensorimotor to cognitive disorders. Communications Biology. 2023;6(1):1-17. doi:https://doi.org/10.1038/s42003-022-04390-w
Russell C, Roche AD, Chakrabarty S. Peripheral nerve bionic interface: a review of electrodes. International Journal of Intelligent Robotics and Applications. 2019;3(1):11-18. doi:https://doi.org/10.1007/s41315-019-00086-3
Ciancio AL, Cordella F, Barone R, et al. Control of Prosthetic Hands via the Peripheral Nervous System. Frontiers in Neuroscience. 2016;10. doi:https://doi.org/10.3389/fnins.2016.00116
Silveira A, Brunton E, Escobedo-Cousin E, et al. W:Ti Flexible Transversal Electrode Array for Peripheral Nerve Stimulation: A Feasibility Study. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2020;28(10):2136-2143. doi:https://doi.org/10.1109/tnsre.2020.3014812
Chhatbar PY, Francis JT. Towards a Naturalistic Brain-Machine Interface: Hybrid Torque and Position Control Allows Generalization to Novel Dynamics. Fridman EA, ed. PLoS ONE. 2013;8(1):e52286. doi:https://doi.org/10.1371/journal.pone.0052286
Vu PP, Lu CW, Vaskov AK, et al. Restoration of Proprioceptive and Cutaneous Sensation Using Regenerative Peripheral Nerve Interfaces in Humans with Upper Limb Amputations. Plastic & Reconstructive Surgery. 2022;149(6):1149e1154e. doi:https://doi.org/10.1097/prs.0000000000009153
Fisher LE, Ayers CA, Ciollaro M, Ventura V, Weber DJ, Gaunt RA. Chronic recruitment of primary afferent neurons by microstimulation in the feline dorsal root ganglia. Journal of Neural Engineering. 2014;11(3):036007. doi:https://doi.org/10.1088/1741-2560/11/3/036007
Ackerley R, Helena Backlund Wasling, Ortiz-Catalan M, Rickard Brånemark, Johan Wessberg. Case Studies in Neuroscience: Sensations elicited and discrimination ability from nerve cuff stimulation in an amputee over time. 2018;120(1):291-295. doi:https://doi.org/10.1152/jn.00909.2017
Williams I, Rapeaux A, Liu Y, Luan S, Constandinou TG. A 32-ch. bidirectional neural/EMG interface with on-chip spike detection for sensorimotor feedback. Spiral (Imperial College London). Published online October 1, 2016. doi:https://doi.org/10.1109/biocas.2016.7833848
Falcone S, Brouwer AM, Cocu I, Gijsbertse K, Heylen D, van Erp J. The relative contribution of five key perceptual cues and their interaction to the sense of embodiment. Technology, Mind, and Behavior. 2022;3(1). doi:https://doi.org/10.1037/tmb0000068
Otte A. Invasive versus Non-Invasive Neuroprosthetics of the Upper Limb: Which Way to Go? Prosthesis. 2020;2(3):237-239. doi:https://doi.org/10.3390/prosthesis2030020
Ossur; I-Limb Products ;https://www.ossur.com/en-gb/prosthetics/arms/i-limb-ultra; Access data: 21.12.2023
Pasquina PF, Perry BN, Miller ME, Ling GSF, Tsao JW. Recent advances in bioelectric prostheses. Neurology: Clinical Practice. 2015;5(2):164-170. doi:https://doi.org/10.1212/cpj.0000000000000132
Open Bionics; Hero Arm ; https://openbionics.com/en/hero-arm-overview/; access data: 21.12.2023
SynTouch; https://syntouchinc.com/technology/; access data: 21.12.2023
Crandell D, Lozano-Calderón S, Mayerson JL. Editorial: Advances in rehabilitation intervention after limb amputation. Frontiers in rehabilitation sciences. 2023;4. doi:https://doi.org/10.3389/fresc.2023.1149001
Bocan K, Sejdić E. Adaptive Transcutaneous Power Transfer to Implantable Devices: A State of the Art Review. Sensors. 2016;16(3):393. doi:https://doi.org/10.3390/s16030393
Moodley K, Fourie J, Imran Z, Hands C, Rall W, Stopforth R. Touch Hand 4.5: low-cost additive manufacturing prosthetic hand participated in Cybathlon 2020 ARM discipline. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 2022;19(1). doi:https://doi.org/10.1186/s12984-022-01112-5
Carmena JM. Advances in Neuroprosthetic Learning and Control. PLoS Biology. 2013;11(5):e1001561. doi:https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1001561
Otte A. Invasive versus Non-Invasive Neuroprosthetics of the Upper Limb: Which Way to Go? Prosthesis. 2020;2(3):237-239. doi:https://doi.org/10.3390/prosthesis2030020
Weber DJ, Hao M, Urbin MA, Schoenewald C, Lan N. Chapter Twenty one - Sensory information feedback for neural prostheses. ScienceDirect. Published January 1, 2020. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128160343000213
Salimi-Nezhad N, Amiri M, Falotico E, Laschi C. A Digital Hardware Realization for Spiking Model of Cutaneous Mechanoreceptor. Frontiers in Neuroscience. 2018;12:322. doi:https://doi.org/10.3389/fnins.2018.00322
Gaunt RA, Hokanson J, Weber DJ. Microstimulation of primary afferent neurons in the L7 dorsal root ganglia using multielectrode arrays in anesthetized cats: thresholds and recruitment properties. Journal of Neural Engineering. 2009;6(5):055009-055009. doi:https://doi.org/10.1088/1741-2560/6/5/055009
Ortiz-Catalán M, Zbinden J, Millenaar J, et al. A highly integrated bionic hand with neural control and feedback for use in daily life. Science robotics. 2023;8(83). doi:https://doi.org/10.1126/scirobotics.adf7360
Vidal GWV, Rynes ML, Kelliher Z, Goodwin SJ. Review of Brain-Machine Interfaces Used in Neural Prosthetics with New Perspective on Somatosensory Feedback through Method of Signal Breakdown. Scientifica. 2016;2016. doi:https://doi.org/10.1155/2016/8956432
Mastinu E, Engels LF, Clemente F, et al. Neural feedback strategies to improve grasping coordination in neuromusculoskeletal prostheses. Scientific Reports. 2020;10(1):11793. doi:https://doi.org/10.1038/s41598-020-67985-5
Falcone S, Brouwer AM, Cocu I, Gijsbertse K, Heylen D, van Erp J. The relative contribution of five key perceptual cues and their interaction to the sense of embodiment. Technology, Mind, and Behavior. 2022;3(1). doi:https://doi.org/10.1037/tmb0000068
Segil JL, Cuberovic I, Graczyk EL, Weir RF ff., Tyler D. Combination of Simultaneous Artificial Sensory Percepts to Identify Prosthetic Hand Postures: A Case Study. Scientific Reports. 2020;10(1). doi:https://doi.org/10.1038/s41598-020-62970-4
Ortiz-Catalan M, Mastinu E, Sassu P, Aszmann O, Brånemark R. Self-Contained Neuromusculoskeletal Arm Prostheses. New England Journal of Medicine. 2020;382(18):1732-1738. doi:https://doi.org/10.1056/nejmoa1917537
Ackerley R, Helena Backlund Wasling, Ortiz-Catalan M, Rickard Brånemark, Johan Wessberg. Case Studies in Neuroscience: Sensations elicited and discrimination ability from nerve cuff stimulation in an amputee over time. 2018;120(1):291-295. doi:https://doi.org/10.1152/jn.00909.2017
Ackerley R, Helena Backlund Wasling, Ortiz-Catalan M, Rickard Brånemark, Johan Wessberg. Case Studies in Neuroscience: Sensations elicited and discrimination ability from nerve cuff stimulation in an amputee over time. 2018;120(1):291-295. doi:https://doi.org/10.1152/jn.00909.2017
Crandell D, Lozano-Calderón S, Mayerson JL. Editorial: Advances in rehabilitation intervention after limb amputation. Frontiers in rehabilitation sciences. 2023;4. doi:https://doi.org/10.3389/fresc.2023.1149001
Falcone S, Brouwer AM, Cocu I, Gijsbertse K, Heylen D, van Erp J. The relative contribution of five key perceptual cues and their interaction to the sense of embodiment. Technology, Mind, and Behavior. 2022;3(1). doi:https://doi.org/10.1037/tmb0000068
Xie L, Tang W, Iman Izadikhah, et al. Development of a multi-stage model for intelligent and quantitative appraising of skeletal maturity using cervical vertebras cone-beam CT images of Chinese girls. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 2022;17(4):761-773. doi:https://doi.org/10.1007/s11548-021-02550-7
Williams I, Rapeaux A, Pearson J, et al. SenseBack – Implant considerations for an implantable neural stimulation and recording device. Newcastle University ePrints (Newcastle Univesity). Published online October 1, 2019. doi:https://doi.org/10.1109/biocas.2019.8919046
Towards handy neural prostheses. Nature Biomedical Engineering. 2023;7(4):335-336. doi:https://doi.org/10.1038/s41551-023-01036-y
Lan N, Hao M, Niu CM, et al. Next-Generation Prosthetic Hand: from Biomimetic to Biorealistic. Research. 2021;2021. doi:https://doi.org/10.34133/2021/4675326
Hokanson J, Christopher Albert Ayers, Gaunt RA, Bruns TM, Weber DJ. Effects of spatial and temporal parameters of primary afferent microstimulation on neural responses evoked in primary somatosensory cortex of an anesthetized cat. Europe PMC (PubMed Central). Published online August 1, 2011. doi:https://doi.org/10.1109/iembs.2011.6091857
Opublikowane
7 maja 2024
Prawa autorskie (c) 2024 Michał Azierski; Marcin Rojek, Emilia Wiśniewska
Licencja
Utwór dostępny jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa – Użycie niekomercyjne – Bez utworów zależnych 4.0 Międzynarodowe.
